Géothermie profonde : comprendre la structure et l’évolution des zones de failles pour une exploitation optimale

La géothermie profonde dans les socles est l’une des méthodes permettant d’exploiter une énergie propre, locale et renouvelable. Toutefois, une exploitation optimale de la chaleur interne de la Terre nécessite une connaissance accrue de l’architecture du sous-sol et notamment du schéma de circulation de fluides au niveau des zones de failles.

L’énergie géothermique, produite à partir de forages profonds, est un élément clé de la transition énergétique. Toutefois, toutes les régions ne sont pas propices à son développement. L’exploitation des ressources géothermiques demande en effet un contexte géologique et tectonique particulier, qui offre un gradient de chaleur supérieur à la moyenne. Le fossé rhénan offre ces conditions, avec un gradient géothermique particulièrement élevé qui rend l’exploitation de la chaleur du sous-sol très intéressante. Les recherches continuent cependant pour identifier les situations les plus favorables. De nombreuses études ont ainsi pointé l’importance des zones de failles naturelles dans ce contexte. L’endommagement des roches liées au jeu des failles favorise en effet la circulation des fluides en profondeur et les échanges de chaleur entre l’eau et la roche. 

L’importance de bien identifier les propriétés des zones de faille

Toutefois, l’intense circulation de fluides avant et pendant la mise en œuvre de forages géothermiques profonds tend à modifier les propriétés des zones de failles, et notamment leur perméabilité. La précipitation de minéraux comme l’argile ou le quartz peut ainsi obstruer les réseaux de fractures qui forment la zone de faille. Le maintien des conditions les plus propices à l’exploitation géothermique nécessite donc de bien connaître l’architecture de la zone de faille en question, la connectivité entre les fractures, leur orientation, ainsi que les propriétés mécaniques. 

Mine de Schauinsland en Allemagne © Benjamin AvakianCe type de connaissance est cependant difficile à acquérir in situ, étant donné que le socle profond n’est accessible que via des forages destructifs. Pour comprendre le comportement des zones de failles dans le fossé rhénan, une thèse menée par Benjamin Avakian, de Cergy Paris Université, s’est donc intéressée à une structure analogue : une faille exposée dans la mine de Schauinsland en Forêt Noire (bordure allemande du fossé rhénan).

Minéralisation argileuse : un véritable problème pour l’exploitation géothermique

L’étude pétrophysique, pétrographique, minéralogique et géochimique de cette zone de faille a permis de comprendre comment la perméabilité est distribuée, notamment lorsqu’il y a présence d’argile dans le réseau de fractures. Les données, publiées dans la revue Journal of Structural Geology, ont mis en lumière l’évolution de la perméabilité de la zone de faille, au fil du temps et de l’enchaînement des cycles sismiques qui impactent eux-aussi l’architecture de la faille. De conduit permettant une circulation aisée des fluides, le cœur de faille s’est ainsi transformé en véritable barrière. Cette évolution est à mettre sur le compte de la précipitation de minéraux secondaires comme les argiles.

Bloc diagramme et photos de la faille étudiée dans la mine de Schauinsland © Avakian et al. 2025, Journal of Structural GeologyAinsi, la zone la plus propice actuellement à l‘exploitation sur ce type de faille semble donc être la zone endommagée qui entoure le cœur de faille. C’est là où la circulation de fluide est visiblement optimale à l’heure actuelle. Dans leur conclusion, les chercheurs indiquent par ailleurs que la détection d’une forte minéralisation argileuse dans le cœur de faille doit être considérée en amont de tout projet géothermique profond. La connectivité entre les puits d’injection et de récupération des fluides pourrait en effet être sévèrement affectée, impactant ainsi la viabilité du projet d’exploitation. 

Brève rédigée par Morgane Gillard

Pour en savoir plus : Benjamin Avakian, Béatrice A. Ledésert, Ghislain Trullenque, Ronan L. Hébert, Johanne Klee, Sébastien Potel, Titouan Miloikovitch, Steven Goderis, Philippe Claeys,

Structural inheritance and hydrothermal alteration impact on fluid circulation in a clay-rich shear zone, Journal of Structural Geology, Volume 190, 2025, 105296, ISSN 0191-8141, https://doi.org/10.1016/j.jsg.2024.105296.